JP6858444B2 - 作業機械及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械及び電力変換装置に関する。

クレーン等の作業機械には、電動機等の電動アチュエータを駆動するためのＤＣ−ＤＣコンバータや、制御に利用される種々のセンサ等が用いられる。下記の特許文献１に、圧力センサを電磁シールド容器に収容することにより、外部ノイズの影響を受けにくくした作業機械が開示されている。作業機械の例として、ショベル、クレーン等が挙げられている。

特開２００７−１３９１４６号公報

特許文献１に開示された作業機械では、センサに到達する外部ノイズを低減することができる。ところが、作業機械自体も電磁ノイズを発生するため、作業機械から発生する電磁ノイズが自機内や他の電子機器に与える影響（ＥＭＩ）を低減することが望まれる。電磁ノイズ発生源をすべて電磁シールド容器に収容することは困難な場合がある。また、電磁シールド容器から電磁ノイズが漏洩する場合もある。

本発明の目的は、電磁ノイズの発生を低減することが可能な作業機械を提供することである。本発明の他の目的は、電磁ノイズの発生を低減することが可能な電力変換装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
作動部と、
前記作動部を駆動する電動アクチュエータと、
電源から電流が供給され、前記電動アクチュエータに電力を供給する電気駆動部と、
前記電気駆動部の動作に起因する電磁ノイズを低減させるノイズ低減回路と
を有し、
前記電気駆動部は、入力側の電圧を変換して出力側に出力する駆動用チョッパ回路を含み、前記駆動用チョッパ回路のスイッチングに応じて、前記電源から供給される電流にリップルが生じ、
前記ノイズ低減回路は、前記駆動用チョッパ回路のスイッチング周波数域の電磁ノイズを低減させ、
前記ノイズ低減回路は、前記駆動用チョッパ回路に対して、入力側及び出力側共に並列に接続され、前記電気駆動部に入力される電流に補償電流を重畳させることにより前記電源から出力される電流のリップルを低減させる補償用チョッパ回路を含む作業機械が提供される。

本発明の他の観点によると、
駆動用チョッパ回路と、
入力側及び出力側の双方において前記駆動用チョッパ回路に並列に接続された補償用チョッパ回路と、
前記駆動用チョッパ回路及び前記補償用チョッパ回路のスイッチングを制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記駆動用チョッパ回路のスイッチングによって入力側の電流に生じるリップルを低減させるように、前記補償用チョッパ回路を、前記駆動用チョッパ回路のスイッチング周波数より高いスイッチング周波数でスイッチングする電力変換装置が提供される。

ノイズ低減回路によって電磁ノイズの発生を抑制することができる。

図１は、実施例による作業機械の概略ブロック図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ他の実施例によるによるクレーンの概略正面図及び概略側面図である。 図３Ａは、本実施例によるクレーンシステムの電力系統図であり、図３Ｂは、交流電源及びＡＣ−ＤＣ変換装置の概略図である。 図４は、電力変換装置のブロック図である。 図５Ａは、電力変換装置の等価回路図であり、図５Ｂは、リレー回路の等価回路図である。 図６は、２つの駆動用チョッパ回路及び補償用チョッパ回路の昇圧動作時におけるスイッチング動作のタイミングチャート、駆動用チョッパ回路の入力電流Ｉ１、Ｉ２の波形、及び補償電流Ｉｒの波形の一例を示すグラフである。 図７は、２つの駆動用チョッパ回路及び補償用チョッパ回路の昇圧動作時においてデューティ比が７５％でスイッチングを行うときのタイミングチャート、駆動用チョッパ回路の入力電流Ｉ１、Ｉ２の波形、及び補償電流Ｉｒの波形の一例を示すグラフである。 図８は、２つの駆動用チョッパ回路及び補償用チョッパ回路の昇圧動作時においてデューティ比が７５％でスイッチングを行うときのタイミングチャート、駆動用チョッパ回路の入力電流Ｉ１、Ｉ２の波形、及び補償電流Ｉｒの波形の他の例を示すグラフである。 図９Ａは、さらに他の実施例による電力変換装置を用いたショベルの側面図であり、図９Ｂは、ショベルの油圧駆動系及び電気駆動系のブロック図である。

図１を参照して、実施例による作業機械について説明する。実施例による作業機械として、例えばクレーン、ショベル等が挙げられる。

図１は、実施例による作業機械の概略ブロック図である。電気駆動部１１が、直流電源１０から入力される電力を変換して電動アクチュエータ１２に電力を供給する。電動アクチュエータ１２は、電気駆動部１１から供給される電力によって作動部１３を駆動する。例えば、直流電源１０は蓄電装置（二次電池等）であり、電気駆動部１１は昇降圧コンバータであり、電動アクチュエータは電動機である。作業機械がガントリークレーンである場合、作動部１３は、例えば門型フレーム、トロリー、巻き上げ機等である。作業機械がショベルである場合、作動部１３は、例えば走行体に旋回可能に搭載された上部旋回体である。

電気駆動部１１が動作すると、電気駆動部１１への入力電流Ｉ１にリップルが発生する。このリップルにより電磁ノイズ１５が放射される。ノイズ低減回路１４が、電気駆動部１１から発生する電磁ノイズ１５の放射を抑制する。ノイズ低減回路１４は、例えば電気駆動部１１への入力電流Ｉ１に補償電流Ｉｒを足し合わせることにより、直流電源１０からの放電電流Ｉのリップルを低減させる。放電電流Ｉのリップルを低減させることにより、電磁ノイズ１５の放射を抑制することができる。

次に、図２Ａ〜図８を参照して、他の実施例による作業機械の例として、クレーンについて説明する。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ本実施例によるによるクレーンの概略正面図及び概略側面図である。複数の柱２１が桁２２を支えている。柱２１と桁２２とによって門型フレームが構成される。柱２１の下端に車輪２４が取り付けられており、門型フレームがレール２５に沿って走行する。図２Ａの紙面に垂直な方向及び図２Ｂの左右方向が走行方向に相当する。門型フレームに搭載された走行用モータ３３が車輪２４を駆動する。

桁２２にトロリー２７が搭載されている。トロリー２７は横行用モータ３２によって駆動されることにより横行方向に移動する。図２Ａの左右方向及び図２Ｂの紙面に垂直な方向が横行方向に相当する。走行用モータ３３及び横行用モータ３２は、吊り下げられた対象物を垂直方向と交差する方向に移動させる移動モータとしての役割を持つ。

トロリー２７に巻き上げ機３５が搭載されている。巻き上げ機３５は、巻上げモータ３１によって駆動されることにより、先端にフック等の吊り下げ具３６が取り付けられたワイヤの巻上げ及び繰り出しを行う。

門型フレームに、交流電源４０、ＡＣ−ＤＣ変換装置４２、蓄電装置４５、及び電力変換装置４６が搭載されている。交流電源４０は、エンジン４０Ｅと発電機４０Ｇとを含む。交流電源４０は、巻上げモータ３１、横行用モータ３２、及び走行用モータ３３に駆動用の電力を供給する。さらに、交流電源４０から供給される電力によって蓄電装置４５が充電される。

図３Ａは、クレーンシステムの電力系統図である。交流電源４０がＡＣ−ＤＣ変換装置４２を介して直流母線４７に接続されている。ＡＣ−ＤＣ変換装置４２は、交流電源４０から供給される交流電力を、目標とする電圧の直流電力に変換して直流母線４７に供給する。直流母線４７の正側母線４７Ｐと負側母線４７Ｎとの間に平滑コンデンサ４８が接続されている。

蓄電装置４５が電力変換装置４６を介して直流母線４７に接続されている。電力変換装置４６として、ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇降圧コンバータ）が適用される。電力変換装置４６は、蓄電装置４５の充放電を制御する。蓄電装置４５の放電時には、電力変換装置４６は蓄電装置４５の出力電圧を昇圧して蓄電装置４５から直流母線４７に直流電力を供給する。蓄電装置４５の充電時には、電力変換装置４６は直流母線４７の電圧を降圧して直流母線４７から蓄電装置４５に直流電力を供給する。巻上げモータ３１、横行用モータ３２、及び走行用モータ３３が、それぞれインバータ３７、３８、３９を介して直流母線４７に接続されている。

制御装置５０が、ＡＣ−ＤＣ変換装置４２、電力変換装置４６、インバータ３７、３８、３９を制御することにより、直流母線４７から巻上げモータ３１、横行用モータ３２、及び走行用モータ３３に電力を供給する。巻上げモータ３１がワイヤの繰り出し（巻下げ）動作をするときには、制御装置５０がインバータ３７を制御して、巻上げモータ３１で発生した回生電力を直流母線４７に供給する。この回生電力により蓄電装置４５を充電することができる。

図３Ｂは、交流電源４０及びＡＣ−ＤＣ変換装置４２の概略図である。交流電源４０は、内燃機関等のエンジン４０Ｅ及び発電機４０Ｇを含む。エンジン４０Ｅが発電機４０Ｇを駆動することにより発電された交流電力がＡＣ−ＤＣ変換装置４２に供給される。

ＡＣ−ＤＣ変換装置４２は、三相全波整流器４２Ａ及び電力変換装置４２Ｂを含む。三相全波整流器４２Ａは、発電機４０Ｇで発電された三相交流電力を直流電力に変換して電力変換装置４２Ｂに供給する。電力変換装置４２Ｂとして、ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。電力変換装置４２Ｂは、入力された直流電力を昇圧して直流母線４７に電力を供給する。なお、エンジン４０Ｅ及び発電機４０Ｇに代えて商用電源を用いてもよい。

図４は、電力変換装置４６（図３Ａ）のブロック図である。他の電力変換装置４２Ｂ（図３Ｂ）の基本的な構成は、電力変換装置４６の構成と同一である。

電力変換装置４６は、電気駆動部１１とノイズ低減回路１４とを含む。電気駆動部１１は、２つの駆動用チョッパ回路６１を含み、ノイズ低減回路１４は１つの補償用チョッパ回路６５を含む。駆動用チョッパ回路６１及び補償用チョッパ回路６５は、それぞれ一対の入力端子及び一対の出力端子を持つ。２つの駆動用チョッパ回路６１は、入力側及び出力側共に並列接続されている。さらに、補償用チョッパ回路６５の入力側が駆動用チョッパ回路６１の入力側に並列接続され、補償用チョッパ回路６５の出力側も駆動用チョッパ回路６１の出力側に並列接続されている。

並列接続された２つの駆動用チョッパ回路６１の入力端子に蓄電装置４５が接続され、出力端子に直流母線４７が接続される。２つの駆動用チョッパ回路６１に入力される電流を、それぞれＩ１、Ｉ２と表記し、補償用チョッパ回路６５に入力される補償電流をＩｒと表記する。蓄電装置４５の放電電流Ｉは、
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉｒ
と表すことができる。

駆動用チョッパ回路６１のスイッチング動作により、入力電流Ｉ１、Ｉ２のそれぞれにリップルが発生するとともに、入力電流Ｉ１とＩ２とを足し合わせた合計電流Ｉ１＋Ｉ２にもリップルが発生する。補償用チョッパ回路６５は、合計電流Ｉ１＋Ｉ２のリップルの変動を打ち消すように、合計電流Ｉ１＋Ｉ２に重畳させて補償電流Ｉｒを流す。

図５Ａは、電力変換装置４６の等価回路図である。
駆動用チョッパ回路６１の各々は、正側入力端子ＴＩＰ、負側入力端子ＴＩＮ、正側出力端子ＴＯＰ、及び負側出力端子ＴＯＮを有する。正側入力端子ＴＩＰ及び負側入力端子ＴＩＮが蓄電装置４５に接続される。正側出力端子ＴＯＰ及び負側出力端子ＴＯＮが、それぞれ直流母線４７の正側母線４７Ｐ及び負側母線４７Ｎに接続される。負側入力端子ＴＩＮ及び負側出力端子ＴＯＮは共に接地されている。

駆動用チョッパ回路６１は、正側入力端子ＴＩＰからリレー回路ＲＣ、リアクトルＬ、及び下側スイッチング素子ＳＮを経由して負側入力端子ＴＩＮに至る電流経路、及び正側出力端子ＴＯＰから上側スイッチング素子ＳＰ、リアクトルＬ、及びリレー回路ＲＣを経由して正側入力端子ＴＩＰに至る電流経路を含む。下側スイッチング素子ＳＮ及び上側スイッチング素子ＳＰに、それぞれ下側フリーホイールダイオードＤＮ及び上側フリーホイールダイオードＤＰが接続されている。

補償用チョッパ回路６５の回路構成は、駆動用チョッパ回路６１の回路構成と同一である。補償用チョッパ回路６５に用いられている各素子の定格容量は、駆動用チョッパ回路６１に用いられている各素子の定格容量と異なっていてもよい。

制御装置５０が、駆動用チョッパ回路６１及び補償用チョッパ回路６５のリレー回路ＲＣ、上側スイッチング素子ＳＰ、及び下側スイッチング素子ＳＮを制御する。

図５Ｂは、リレー回路ＲＣの等価回路図である。リレー回路ＲＣは、並列接続された２つの電流経路を有する。一方の電流経路にはリレーＲＬ１が挿入されており、他方の電流経路にはリレーＲＬ２と充電抵抗Ｒとの直列回路が挿入されている。リレーＲＬ１及びリレーＲＬ２のオンオフは、制御装置５０によって制御される。

次に、図５Ａ及び図５Ｂに示した電力変換装置４６の基本的な動作について説明する。
直流母線４７にほとんど電圧が発生していない初期状態で、制御装置５０は駆動用チョッパ回路６１のリレーＲＬ２をオンにする。これにより、蓄電装置４５から充電抵抗Ｒ、リアクトルＬ、及び上側フリーホイールダイオードＤＰを通して直流母線４７に電流が流れる。直流母線４７に発生している電圧が蓄電装置４５の電圧にほぼ等しくなると、制御装置５０はリレーＲＬ１をオンにし、リレーＲＬ２をオフにする。充電抵抗Ｒは突入電流を抑制する機能を持つ。

電力変換装置４６は、昇圧動作及び降圧動作を行うことができる。
まず、昇圧動作について説明する。昇圧動作時には、制御装置５０が下側スイッチング素子ＳＮにパルス幅変調信号を入力することにより、下側スイッチング素子ＳＮを周期的にオンオフさせる。下側スイッチング素子ＳＮをオフに切り替えたときに、正側入力端子ＴＩＰの電圧がリアクトルＬに発生する誘導起電力に相当する電圧分だけ昇圧され、蓄電装置４５から上側フリーホイールダイオードＤＰを介して正側出力端子ＴＯＰに電力が供給される。

次に、降圧動作について説明する。降圧動作時には、制御装置５０が上側スイッチング素子ＳＰにパルス幅変調信号を入力することにより、上側スイッチング素子ＳＰを周期的にオンオフさせる。正側出力端子ＴＯＰの電圧から、上側スイッチング素子ＳＰがオンになる割合（デューティ比）に依存する電圧分だけ降圧され、直流母線４７からリアクトルＬ、リレー回路ＲＣ、及び正側入力端子ＴＩＰを介して蓄電装置４５に電力が供給される。上側スイッチング素子ＳＰをオフに切り替えたときは、リアクトルＬに発生する誘導起電力により負側入力端子ＴＩＮから下側フリーホイールダイオードＤＮを介して正側入力端子ＴＩＰに電流が流れる。

図６は、２つの駆動用チョッパ回路６１及び補償用チョッパ回路６５の昇圧動作時におけるスイッチング動作のタイミングチャート、駆動用チョッパ回路６１の入力電流Ｉ１、Ｉ２の波形、及び補償電流Ｉｒの波形の一例を示すグラフである。上段のグラフは、入力電流Ｉ１、Ｉ２、合計電流Ｉ１＋Ｉ２、及び補償電流Ｉｒの波形を示す。２段目及び３段目のグラフは、それぞれ２つの駆動用チョッパ回路６１のスイッチング動作のタイミングチャートＳ２、Ｓ１を示す。最下段のグラフは、補償用チョッパ回路６５のスイッチング動作のタイミングチャートＳｒを示す。

図６では、駆動用チョッパ回路６１のスイッチングのデューティ比が５０％である例を示している。一方の駆動用チョッパ回路６１のスイッチングの位相が、他方の駆動用チョッパ回路６１のスイッチングの位相より１８０°遅れている。補償用チョッパ回路６５は常時オフにされている。

タイミングチャートＳ１に従ってスイッチングされている駆動用チョッパ回路６１がオンになっている期間、その駆動用チョッパ回路６１の入力電流Ｉ１が上昇し、オフなっている期間、入力電流Ｉ１が下降する。入力電流Ｉ１の変動は線型近似することができる。タイミングチャートＳ２に従ってスイッチングされている駆動用チョッパ回路６１の入力電流Ｉ２の波形は、入力電流Ｉ１の波形の位相を１８０°遅らせた形状を有する。デューティ比が５０％であるため、入力電流Ｉ２の波形は、入力電流Ｉ１の波形を上下反転させた形状にほぼ一致する。入力電流Ｉ１、Ｉ２に、駆動用チョッパ回路６１のスイッチング周波数相当のリップルが発生する。入力電流Ｉ１とＩ２とを足し合わせた合計電流Ｉ１＋Ｉ２はほぼ一定の値になり、リップルはほとんど消滅する。

図６に示したように、デューティ比が５０％の条件で２つの駆動用チョッパ回路６１を駆動する場合には、蓄電装置４５の放電電流Ｉのリップルをほぼ消滅させることができる。ところが、デューティ比が５０％以外のときには、入力電流Ｉ１とＩ２とを足し合わせても、リップルを消滅させることはできない。

図７は、２つの駆動用チョッパ回路６１及び補償用チョッパ回路６５の昇圧動作時においてデューティ比が７５％でスイッチングを行うときのタイミングチャート、駆動用チョッパ回路６１の入力電流Ｉ１、Ｉ２の波形、及び補償電流Ｉｒの波形の一例を示すグラフである。上段のグラフは、入力電流Ｉ１、Ｉ２、合計電流Ｉ１＋Ｉ２、補償電流Ｉｒ、及び放電電流Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉｒの波形を示す。２段目及び３段目のグラフは、それぞれ２つの駆動用チョッパ回路６１のスイッチング動作のタイミングチャートＳ２、Ｓ１を示す。最下段のグラフは、補償用チョッパ回路６５のスイッチング動作のタイミングチャートＳｒを示す。一方の駆動用チョッパ回路６１のスイッチングの位相が、他方の駆動用チョッパ回路６１のスイッチングの位相より１８０°遅れている。

駆動用チョッパ回路６１のスイッチングのデューティ比が７５％であるため、入力電流Ｉ１とＩ２とを足し合わせた合計電流Ｉ１＋Ｉ２が一定値にならず、駆動用チョッパ回路６１のスイッチング周波数の２倍の周波数のリップルが発生する。

制御装置５０は、合計電流Ｉ１＋Ｉ２のリップルが低減するように、駆動用チョッパ回路６１のスイッチングと同期させて補償用チョッパ回路６５のスイッチングを行う。例えば、制御装置５０は、合計電流Ｉ１＋Ｉ２が増加している期間Ｔ１においては、補償電流Ｉｒが全体として減少するように補償用チョッパ回路６５を制御し、合計電流Ｉ１＋Ｉ２が減少している期間Ｔ２においては、補償電流Ｉｒが全体として増加するように補償用チョッパ回路６５を制御する。ここで、「全体として減少」とは、合計電流Ｉ１＋Ｉ２のリップルの基本周波数に等しい補償電流Ｉｒの周波数成分が、着目する期間内において減少することを意味する。同様に、「全体として増加」とは、合計電流Ｉ１＋Ｉ２のリップルの基本周波数に等しい補償電流Ｉｒの周波数成分が、着目する期間内において増加することを意味する。

補償電流Ｉｒの増加及び減少の制御は、補償用チョッパ回路６５のスイッチング動作のデューティ比を調整することにより行うことができる。例えば、補償用チョッパ回路６５のスイッチング動作のデューティ比を小さくすると、補償電流Ｉｒは減少する傾向が強くなり、デューティ比を大きくすると、補償電流Ｉｒは増加する傾向が強くなる。

補償電流Ｉｒが、合計電流Ｉ１＋Ｉ２に生じているリップルを打ち消す方向に流れるため、合計電流Ｉ１＋Ｉ２に補償電流Ｉｒを加えた放電電流Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉｒに現れるリップルは、合計電流Ｉ１＋Ｉ２に現れるリップルより小さくなる。

図７では、合計電流Ｉ１＋Ｉ２のリップルの１周期の間に、補償用チョッパ回路６５のスイッチングを３回行った例を示している。このとき、補償用チョッパ回路６５のスイッチング周波数は、駆動用チョッパ回路６１のスイッチング周波数の６倍になる。

次に、図２Ａ〜図７に示した実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、補償用チョッパ回路６５が、駆動用チョッパ回路６１に入力される合計電流Ｉ１＋Ｉ２に発生するリップルを打ち消す方向の補償電流Ｉｒを流すため、蓄電装置４５の放電電流Ｉのリップルを低減させることができる。これにより、リップルに起因する電磁ノイズの発生を抑制することができる。なお、放電電流Ｉに補償用チョッパ回路６５のスイッチング周波数域の小さなリップルが発生する場合があるため、特定の周波数域では電磁ノイズが増加することもあり得るが、放電電流Ｉのリップルが合計電流Ｉ１＋Ｉ２のリップルより小さくなっているため、駆動用チョッパ回路６１のスイッチング周波数域を含む周波数域においては、電磁ノイズが低減される。

図７では、駆動用チョッパ回路６１のスイッチング動作のデューティ比が７５％である例を示したが、駆動用チョッパ回路６１がその他のデューティ比でスイッチングされている場合でも、補償用チョッパ回路６５のスイッチング周波数及びスイッチング動作のデューティ比を調整することにより、リップルを低減させることができる。

補償用チョッパ回路６５の正側入力端子ＴＩＰ及び負側入力端子ＴＩＮに与えられる電圧は、駆動用チョッパ回路６１の正側入力端子ＴＩＰ及び負側入力端子ＴＩＮに与えられる電圧と同一である。このため、補償電流Ｉｒを生成するための専用の電圧を発生する電源を設ける必要がない。

補償用チョッパ回路６５で生成する補償電流Ｉｒは、駆動用チョッパ回路６１の入力電流Ｉ１、Ｉ２に発生するリップルを打ち消すのに十分な大きさであればよい。補償電流Ｉｒの最大値は、駆動用チョッパ回路６１の各々の入力電流の最大値よりも小さくすることができる。従って、補償用チョッパ回路６５に用いられるリアクトルＬ、上側スイッチング素子ＳＰ、下側スイッチング素子ＳＮ、上側フリーホイールダイオードＤＰ、及び下側フリーホイールダイオードＤＮとして、駆動用チョッパ回路６１に用いられるこれらの素子よりも小さい容量のものを用いることができる。例えば、補償用チョッパ回路６５に用いられているリアクトルＬとして、駆動用チョッパ回路６１に用いられているリアクトルＬよりも小さな定格容量のものを用いることができる。

補償用チョッパ回路６５に用いられる素子の容量を小さくすることができるため、補償用チョッパ回路６５のスイッチング周波数を駆動用チョッパ回路６１のスイッチング周波数より高くしても、補償用チョッパ回路６５で発生する損失を抑制することができる。例えば、補償用チョッパ回路６５に用いられているリアクトルＬとして定格容量の小さなものを用いると、高周波数域における銅損及び鉄損の増大を抑制することができる。

上記実施例では、駆動用チョッパ回路６１を並列に接続する個数を２個としたが、駆動用チョッパ回路６１は１個でもよいし、３個以上としてもよい。駆動用チョッパ回路６１の個数が３個以上である場合、複数の駆動用チョッパ回路６１のスイッチング動作の位相を、均等にシフトさせることが好ましい。具体的には、駆動用チョッパ回路６１の個数をＮで表したとき、複数の駆動用チョッパ回路６１のスイッチング動作の位相を、３６０°／Ｎずつシフトさせればよい。

制御装置５０は、駆動用チョッパ回路６１のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で補償用チョッパ回路６５のスイッチングを行うことが好ましい。駆動用チョッパ回路６１が複数個並列に接続されている場合には、制御装置５０は、補償用チョッパ回路６５のスイッチング周波数を、駆動用チョッパ回路６１のスイッチング周波数に、駆動用チョッパ回路６１の個数を乗じた値、またはその値の整数倍とすることが好ましい。

上記実施例では、蓄電装置４５からの放電電流Ｉに発生するリップルを低減することができるため、電磁ノイズの放射の低減に加えて、蓄電装置４５の長寿命化を図ることができる。

上記実施例において図６、図７を参照して電力変換装置４６の昇圧動作について説明したが、電力変換装置４６が降圧動作をするとき、すなわち蓄電装置４５に充電電流が流れるときも、同様に充電電流のリップルを小さくすることができる。その結果、電磁ノイズの発生、例えば電磁ノイズの放射及び伝導を低減させることができる。

次に、図８を参照して、上記実施例の変形例について説明する。
図８は、２つの駆動用チョッパ回路及び補償用チョッパ回路の昇圧動作時においてデューティ比が７５％でスイッチングを行うときのタイミングチャート、駆動用チョッパ回路の入力電流Ｉ１、Ｉ２の波形、及び補償電流Ｉｒの波形の他の例を示すグラフである。

図８に示した変形例では、図７に示した例に比べて、より補償用チョッパ回路６５のスイッチング周波数を高くしている。このため、補償電流Ｉｒの増加減少の傾向を細かく調整し、補償電流Ｉｒの波形を、合計電流Ｉ１＋Ｉ２の波形を上下反転させた形状に近づけることができる。その結果、放電電流Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉｒに発生するリップルを、より小さくすることができる。例えば、補償用チョッパ回路６５のスイッチング周波数を、駆動用チョッパ回路６１のスイッチング周波数の５倍以上とすることが好ましい。

次に、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、さらに他の実施例について説明する。本実施例では、作業機械の例としてショベルが例示される。

図９Ａは、本実施例による電力変換装置を用いたショベルの側面図である。下部走行体１００に対して旋回可能に上部旋回体１０１が搭載されている。上部旋回体１０１にアタッチメント１１０が取り付けられている。アタッチメント１１０は、上部旋回体１０１に取り付けられたブーム１１２、ブーム１１２の先端に取り付けられたアーム１１３、及びアーム１１３の先端に取り付けられたバケット１１４を含む。ブームシリンダ１１５がブーム１１２を起伏させる。アームシリンダ１１６がアーム１１３を開閉させる。バケットシリンダ１１７がバケットを開閉させる。

図９Ｂは、ショベルの油圧駆動系及び電気駆動系のブロック図である。エンジン１２０、電動発電機１２２、及び油圧ポンプ１２３がトルクコンバータ１２１を介して相互に接続されている。油圧ポンプ１２３から油圧負荷１２４に動力が供給される。油圧負荷１２４には、例えば、ブームシリンダ１１５、アームシリンダ１１６、バケットシリンダ１１７（図９Ａ）、及び下部走行体１００のクローラを駆動する油圧モータ等が含まれる。

電動発電機１２２で発電された電力が電力変換装置１３０を介して直流母線１３１に供給される。直流母線１３１に平滑コンデンサ１３２が接続されている。電力変換装置１３０には、三相交流電力と直流電力との変換を行う双方向インバータが用いられる。

直流母線１３１に電力変換装置１３６を介して蓄電装置１３５が接続されている。さらに、直流母線１３１にインバータ１４１を介して旋回モータ１４０が接続されている。旋回モータ１４０は下部走行体１００に対して上部旋回体１０１を旋回させる。電力変換装置１３６の構成は、図４に示した実施例の電力変換装置４６の構成と同一である。

電動発電機１２２は、アシスト運転と発電運転との両方を行うことができる。電動発電機１２２が発電運転されるときは、エンジン１２０からトルクコンバータ１２１を介して電動発電機１２２に動力が伝達される。電動発電機１２２がアシスト運転されるときは、蓄電装置１３５から電力変換装置１３６、直流母線１３１、電力変換装置１３０を介して電動発電機１２２に電力が供給される。電動発電機１２２が動力を発生することにより、エンジン１２０をアシストする。

インバータ１４１は、直流母線１３１から旋回モータ１４０に電力を供給して旋回モータ１４０を駆動する。旋回モータ１４０が回生動作をするときには、旋回モータ１４０で発生した回生電力を直流母線１３１に供給する。この改正電力により蓄電装置１３５が充電される。

本実施例において、蓄電装置１３５の充放電電流のリップルを小さくし、電磁ノイズの発生、例えば電磁ノイズの放射及び伝導を低減することができるとともに、蓄電装置１３５の長寿命化を図ることができる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 直流電源
１１ 電気駆動部
１２ 電動アクチュエータ
１３ 作動部
１４ ノイズ低減回路
１５ 電磁ノイズ
２１ 柱
２２ 桁
２４ 車輪
２５ レール
２７ トロリー
３１ 巻上げモータ
３２ 横行用モータ
３３ 走行用モータ
３５ 巻き上げ機
３６ 吊り下げ具
３７、３８、３９ インバータ
４０ 交流電源
４０Ｅ エンジン
４０Ｇ 発電機
４２ ＡＣ−ＤＣ変換装置
４２Ａ 三相全波整流器
４２Ｂ 電力変換装置
４５ 蓄電装置
４６ 電力変換装置
４７ 直流母線
４７Ｐ 正側母線
４７Ｎ 負側母線
４８ 平滑コンデンサ
５０ 制御装置
６１ 駆動用チョッパ回路
６５ 補償用チョッパ回路
１００ 下部走行体
１０１ 上部旋回体
１１０ アタッチメント
１１２ ブーム
１１３ アーム
１１４ バケット
１１５ ブームシリンダ
１１６ アームシリンダ
１１７ バケットシリンダ
１２０ エンジン
１２１ トルクコンバータ
１２２ 電動発電機
１２３ 油圧ポンプ
１２４ 油圧負荷
１３０ 電力変換装置
１３１ 直流母線
１３２ 平滑コンデンサ
１３５ 蓄電装置
１３６ 電力変換装置
１４０ 旋回モータ
１４１ インバータ
ＴＩＰ 正側入力端子
ＴＩＮ 負側入力端子
ＴＯＰ 正側出力端子
ＴＯＮ 負側出力端子
ＲＣ リレー回路
Ｌ リアクトル
ＳＰ 上側スイッチング素子
ＳＮ 下側スイッチング素子
ＤＰ 上側フリーホイールダイオード
ＤＮ 下側フリーホイールダイオード
ＲＬ１、ＲＬ２ リレー
Ｒ 充電抵抗

Claims (8)

1. 作動部と、
   前記作動部を駆動する電動アクチュエータと、
   電源から電流が供給され、前記電動アクチュエータに電力を供給する電気駆動部と、
   前記電気駆動部の動作に起因する電磁ノイズを低減させるノイズ低減回路と
   を有し、
   前記電気駆動部は、入力側の電圧を変換して出力側に出力する駆動用チョッパ回路を含み、前記駆動用チョッパ回路のスイッチングに応じて、前記電源から供給される電流にリップルが生じ、
   前記ノイズ低減回路は、前記駆動用チョッパ回路のスイッチング周波数域の電磁ノイズを低減させ、
   前記ノイズ低減回路は、前記駆動用チョッパ回路に対して、入力側及び出力側共に並列に接続され、前記電気駆動部に入力される電流に補償電流を重畳させることにより前記電源から出力される電流のリップルを低減させる補償用チョッパ回路を含む作業機械。
2. 前記ノイズ低減回路は、前記電源から前記電気駆動部への入力電流のリップルの変動を打ち消すように前記補償電流を流す請求項１に記載の作業機械。
3. 前記補償用チョッパ回路に用いられているリアクトルの定格容量は、前記駆動用チョッパ回路に用いられているリアクトルの定格容量より小さい請求項１または２に記載の作業機械。
4. さらに、前記駆動用チョッパ回路及び前記補償用チョッパ回路のスイッチングの制御を行う制御装置を有し、
   前記制御装置は、前記電源から出力される電流のリップルが低減するように、前記駆動用チョッパ回路のスイッチングと同期させて前記補償用チョッパ回路のスイッチングを行う請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械。
5. 前記制御装置は、前記駆動用チョッパ回路のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で前記補償用チョッパ回路のスイッチングを行う請求項４に記載の作業機械。
6. 前記制御装置は、前記電気駆動部への入力電流の変動に応じて、前記補償用チョッパ回路のスイッチングのデューティ比を変化させることにより、前記電源から出力される電流のリップルを低減させる請求項５に記載の作業機械。
7. 前記電気駆動部は、入力側及び出力側共に並列接続された複数の前記駆動用チョッパ回路を含み、
   前記制御装置は、前記補償用チョッパ回路のスイッチング周波数を、前記駆動用チョッパ回路のスイッチング周波数に、前記駆動用チョッパ回路の個数を乗じた値、またはその値の整数倍とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の作業機械。
8. 駆動用チョッパ回路と、
   入力側及び出力側の双方において前記駆動用チョッパ回路に並列に接続された補償用チョッパ回路と、
   前記駆動用チョッパ回路及び前記補償用チョッパ回路のスイッチングを制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記駆動用チョッパ回路のスイッチングによって入力側の電流に生じるリップルを低減させるように、前記補償用チョッパ回路を、前記駆動用チョッパ回路のスイッチング周波数より高いスイッチング周波数でスイッチングする電力変換装置。
   

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